基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略

陳 磊, 李權(quán)元, 郝寶平, 劉向辰

1.武威電建實(shí)業(yè)有限公司 甘肅武威 733000

2.國網(wǎng)武威供電公司 甘肅武威 733000

3.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘭州 730050

1 研究背景

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,找到一種能夠替代傳統(tǒng)化石燃料的新能源已經(jīng)成為全人類需要解決的問題。在這一背景下,具有綠色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。如何提高新能源發(fā)電質(zhì)量,保證用戶側(cè)用電的可靠性和安全性,已經(jīng)成為這一領(lǐng)域中專家和學(xué)者面臨的主要問題。

目前,國家電網(wǎng)調(diào)度主要采用日前優(yōu)化+日內(nèi)滾動(dòng)+實(shí)時(shí)控制的獨(dú)立微電網(wǎng)控制策略,這一策略通過不斷修正線上所有發(fā)電機(jī)組啟停、負(fù)荷投切來經(jīng)濟(jì)合理地調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過仿真和試驗(yàn),證明采用這一策略可以極大提高獨(dú)立微電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量[1-3]。針對(duì)直流微電網(wǎng)負(fù)載阻尼系數(shù)較低、直流母線電壓容易振蕩失穩(wěn)的問題,朱曉榮等[4]提出一種虛擬電阻控制策略,用于補(bǔ)償下垂因數(shù),從而達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的目的。

以上研究雖然解決了微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量較差、負(fù)荷不均的問題,但電力系統(tǒng)消納仍然是困擾獨(dú)立微電網(wǎng)的主要危害之一。為了提高電力系統(tǒng)的全年消納電量,有學(xué)者提出一種基于最優(yōu)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的多集群新能源匯集計(jì)算和規(guī)劃方案,并將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)模型。通過驗(yàn)證,這一方法可以減少迭代次數(shù),實(shí)現(xiàn)潮流計(jì)算的快速收斂[5-6]。為了分析分布式電源的接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、供電可靠性、運(yùn)營管理所產(chǎn)生的影響,王福祿等[7]提出智能微電網(wǎng)運(yùn)行控制架構(gòu),并研究了并網(wǎng)點(diǎn)功率交換控制、模式切換控制、緊急控制、黑啟動(dòng)控制等智能微電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略。

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上,提出一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,將重復(fù)控制能夠周期性減小頻率擾動(dòng)的原理融入自抗擾控制器系統(tǒng),最大限度抵消由頻率擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的不利影響,提高獨(dú)立微電網(wǎng)對(duì)交流側(cè)負(fù)載和直流側(cè)負(fù)載的供電質(zhì)量[8-9]。

2 光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)

光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出,光伏組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是微電網(wǎng)系統(tǒng)的主要發(fā)電單元,所發(fā)出的電能通過電力變換器輸入直流母線和交流母線,供給直流負(fù)載和交流負(fù)載。蓄電池主要用于對(duì)所發(fā)電能進(jìn)行平波抑制。能量管理系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),通過向發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)逆變器實(shí)時(shí)發(fā)送有功功率參考指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率偏差的有效調(diào)節(jié)。

3 基于比例積分控制的抑制策略

太陽能、風(fēng)能自身屬于不穩(wěn)定的間歇式能源,所發(fā)出的電能存在穩(wěn)態(tài)頻率偏差,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定,進(jìn)而出現(xiàn)大面積停電。為了提高供電可靠性,需要對(duì)系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)頻率擾動(dòng)抑制策略如圖2所示。

圖2 基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)頻率擾動(dòng)抑制策略

由于負(fù)載的實(shí)時(shí)波動(dòng)及分布式發(fā)電的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率不平衡,從而出現(xiàn)頻率偏差。獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率不平衡與頻率偏差之間的關(guān)系可以表示為:

(1)

式中:H為獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的慣性常數(shù);A為阻尼系數(shù);s為頻域信號(hào),s=jω,ω為系統(tǒng)頻率。

1/(2Hs+A)是光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,通過能量管理系統(tǒng)向并網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送有功功率參考指令進(jìn)行調(diào)頻,其中,同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻作為主要調(diào)頻手段,并網(wǎng)逆變器調(diào)頻作為輔助調(diào)頻手段[10]。當(dāng)然,比例積分控制存在超調(diào)嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩等問題,會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)調(diào)頻的性能。

4 基于改進(jìn)型自抗擾控制器的抑制策略

4.1 傳統(tǒng)自抗擾控制器

自抗擾控制器由三部分組成,分別為微分信號(hào)跟蹤模塊、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)模塊、非線性反饋模塊。傳統(tǒng)自抗擾控制器的工作原理是將建模的動(dòng)態(tài)誤差、負(fù)載擾動(dòng),以及未知擾動(dòng)產(chǎn)生的干擾頻率視為影響微電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的總擾動(dòng),通過對(duì)總擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算和前饋誤差補(bǔ)償,消除總擾動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作的影響。傳統(tǒng)自抗擾控制器工作原理如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)自抗擾控制器工作原理

圖3中:r(z)為輸入信號(hào),y(z)為輸出信號(hào),u為作用于被控對(duì)象的最終控制量,b為自抗擾控制器的內(nèi)部補(bǔ)償參數(shù),x1(z)為頻率擾動(dòng)跟蹤信號(hào),x2(z)為頻率擾動(dòng)微分信號(hào),e1(z)為頻率擾動(dòng)信號(hào)誤差,e2(z)為頻率擾動(dòng)信號(hào)微分誤差,y1(z)為輸出信號(hào),y2(z)為輸出信號(hào)y1(z)的微分信號(hào),y3(z)為頻率總擾動(dòng)信號(hào)。

微分信號(hào)跟蹤模塊的主要作用是提取頻率擾動(dòng)信號(hào)的跟蹤信號(hào)和微分信號(hào),使過渡過程更加平穩(wěn),解決了系統(tǒng)超調(diào)和快速性不能同時(shí)滿足的問題。微分信號(hào)跟蹤模塊的表達(dá)式為:

(2)

式中:x1(k)為k時(shí)刻的頻率擾動(dòng)跟蹤信號(hào);x2(k)為k時(shí)刻的頻率擾動(dòng)微分信號(hào);x1(k+1)為k+1時(shí)刻的頻率擾動(dòng)跟蹤信號(hào);x2(k+1)為k+1時(shí)刻的頻率擾動(dòng)微分信號(hào);Ts為系統(tǒng)采樣周期;l為速度參數(shù);m為濾波參數(shù)。

g[x1(k),x2(k),l,m]是最優(yōu)控制函數(shù)。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)模塊的主要功能是估算頻率總擾動(dòng)信號(hào),并且能夠準(zhǔn)確跟蹤頻率擾動(dòng)信號(hào)。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)模塊的表達(dá)式為:

(3)

式中:e(k)為k時(shí)刻的誤差信號(hào);y1(k)為k時(shí)刻的輸出信號(hào);y2(k)為k時(shí)刻輸出信號(hào)y1(k)的微分信號(hào);y3(k)為k時(shí)刻的頻率總擾動(dòng)信號(hào);y1(k+1)為k+1時(shí)刻的輸出信號(hào);y2(k+1)為k+1時(shí)刻輸出信號(hào)y1(k+1)的微分信號(hào);y3(k+1)為k+1時(shí)刻的頻率總擾動(dòng)信號(hào);h為冪次函數(shù);β1、β2、β3為調(diào)節(jié)冪次函數(shù)h的內(nèi)部參數(shù);α1、α2、α3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)模塊參數(shù);δ為冪次函數(shù)h的選擇區(qū)間域;c為調(diào)節(jié)函數(shù)。

非線性反饋模塊的主要作用是對(duì)微分信號(hào)跟蹤模塊輸出信號(hào)x1(z)、x2(z)與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)模塊輸出信號(hào)y1(z)、y2(z)的誤差值e1(z)、e2(z)進(jìn)行非線性組合,生成相應(yīng)的控制量,實(shí)現(xiàn)不采用積分就能完成無靜差跟蹤控制的功能。非線性反饋模塊的表達(dá)式為:

{e1(k)=x1(k)-y1(k)

e2(k)=x2(k)-y2(k)

(4)

u=k1ζ[e1(k),ε1,0.5]+k2ζ[e2(k),ε2,0.25]-y3(k)/b

式中:e1(k)為k時(shí)刻的頻率擾動(dòng)信號(hào)誤差;e2(k)為k時(shí)刻的擾動(dòng)信號(hào)微分誤差;ζ為非線性函數(shù);ε1、ε2為非線性函數(shù)ζ的內(nèi)部參數(shù);k1、k2為非線性函數(shù)ζ的可調(diào)參數(shù)。

4.2 改進(jìn)型自抗擾控制器

通過以上分析可知,自抗擾控制器雖然能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)的頻率總擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償,但自身參數(shù)較多,并且參數(shù)選擇的合適與否將會(huì)直接影響自抗擾控制器對(duì)頻率總擾動(dòng)的估算和補(bǔ)償效果。對(duì)此,筆者提出一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略。這一策略在傳統(tǒng)自抗擾控制器基礎(chǔ)上引入重復(fù)控制周期性縮小系統(tǒng)誤差原理,加快誤差的收斂,減小內(nèi)部參數(shù)對(duì)自抗擾控制器的影響,提高微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)頻率擾動(dòng)的抑制能力。改進(jìn)型自抗擾控制器的工作原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型自抗擾控制器工作原理

圖4中:Q(z)為低通時(shí)域?yàn)V波器,z-N為時(shí)域延遲環(huán)節(jié),S(z)為補(bǔ)償環(huán)節(jié),KP為比例因數(shù),N為電網(wǎng)頻率與系統(tǒng)頻率的比值。

將改進(jìn)型自抗擾控制器應(yīng)用于光伏-風(fēng)力-儲(chǔ)能交直流混合獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng),取代原來的比例積分控制,可以更加有效地抑制頻率擾動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害?；诟倪M(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略如圖5所示。

圖5 基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略

5 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略的抑制能力,筆者應(yīng)用Matlab/Simulink軟件仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 交流側(cè)負(fù)載供電質(zhì)量

在系統(tǒng)中加入隨機(jī)頻率擾動(dòng)信號(hào),交流側(cè)負(fù)載的三相電壓仿真波形如圖6所示。

由圖6可以看出,在獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入隨機(jī)頻率擾動(dòng)信號(hào),采用基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,220 V負(fù)載三相交流電壓正弦波形較差;采用基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,220 V負(fù)載三相交流電壓正弦波形明顯改善。

圖6 交流側(cè)負(fù)載三相電壓仿真波形

為了驗(yàn)證兩種策略下的供電質(zhì)量,分別對(duì)兩種策略下的交流側(cè)負(fù)載三相電壓進(jìn)行諧波畸變率分析,如圖7所示。

圖7 交流側(cè)負(fù)載三相電壓諧波畸變率

采用基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,電壓幅值為225.08 V,諧波畸變率均值為7.05%,超過并網(wǎng)電壓允許條件。采用基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,電壓幅值為220.02 V,諧波畸變率均值為3.87%,滿足并網(wǎng)電壓允許條件。由此可以驗(yàn)證,基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略能夠提高交流側(cè)負(fù)載的供電質(zhì)量。

5.2 直流側(cè)負(fù)載供電質(zhì)量

在系統(tǒng)中加入隨機(jī)頻率擾動(dòng)信號(hào),直流側(cè)負(fù)載的電壓仿真波形如圖8所示。

圖8 直流側(cè)負(fù)載電壓仿真波形

由圖8可以看出,在0.10～0.14 s時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)加入隨機(jī)頻率擾動(dòng)信號(hào),采用基于比例積分控制的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,直流電壓抖振幅度較大;采用基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,直流電壓抖振幅度較小,基本能維持在550 V左右。由此可以驗(yàn)證,基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略能夠提高直流側(cè)負(fù)載的供電質(zhì)量。

6 結(jié)束語

筆者在傳統(tǒng)自抗擾控制器的基礎(chǔ)上,提出一種基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,將重復(fù)控制能夠周期性減小頻率擾動(dòng)的原理融入自抗擾控制器,最大限度抵消頻率擾動(dòng)對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。通過仿真,驗(yàn)證了采用基于改進(jìn)型自抗擾控制器的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制策略,能夠在獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)存在頻率擾動(dòng)的情況下,有效提高獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)交流側(cè)負(fù)載和直流側(cè)負(fù)載的供電質(zhì)量。